AC-povezano ili DC-povezano skladištenje energije: koja arhitektura je bolja?
Ako planirate da instalirate sistem za skladištenje energije uz solarni fotovoltaični sistem, prva stvar koju treba uzeti u obzir nije kapacitet, već arhitektura. Ova odluka određuje efikasnost, skalabilnost i troškove instalacije sistema. U ovom članku ćemo pogledati kako funkcionišu AC- i DC-kuplirani sistemi, koja je ključna tehnička razlika između AC i DC kupljenja i šta AC i DC struja zapravo znače u praksi.
Ispitićemo koje je rešenje efikasnije u pogledu konverzije energije, kada je AC-kupliranje povoljno pri proširenju postojećeg solarnog sistema sa baterijom, a kada se i dalje isplati izabrati DC-kupljeni sistem za skladištenje energije. Pokrićemo kompatibilnost invertera, da li da zadržite postojeći inverter ili ga zamenite hibridnim, kao i dimenzionisanje snage i kapaciteta za retrofit instalacije.
Na kraju, kvantifikujemo gubitke pri konverziji, ispitujemo pitanja nulte eksploatacije i upravljanja energijom u sistemima retrofita, upoređujemo dve arhitekture na većem komercijalnom i industrijskom nivou i zaključujemo predstavljanjem SOLARKIT-ovih kriterijuma za donošenje odluka za instalere. Ako se solarni paneli ili baterije ugrađuju u sistem, ovaj skup kriterijuma pomoći će vam da odlučite koja je opcija najekonomičnija.
Kako funkcionišu AC- i DC-povezani sistemi?
Razlika između dve arhitekture leži u tome gde se solarni paneli i kolo baterije povezuju.
U AC-povezanom sistemu, niz solarnih panela povezan je sa sopstvenim invertorom, dok je jedinica za skladištenje energije povezana sa zasebnim hibridnim invertorom na baterijsko napajanje. Ova dva uređaja se povezuju na strani naizmenične struje, obično na šini razvodnog ormana. Električna energija koju proizvode solarni paneli prvo se pretvara u naizmeničnu struju, zatim, kada ulazi u bateriju, nazad u jednosmernu struju, i konačno se treći put pretvara prilikom pražnjenja. Prednost ove konfiguracije je u tome što dva uređaja rade nezavisno jedan od drugog: ako jedan prestane da radi, drugi nastavlja da funkcioniše.
U DC-kuplu sistemu koristi se jedan hibridni inverter. Solarni paneli i baterija su povezani na zajednički DC bas: sa jedne strane je MPPT kontroler, a sa druge DC/DC pretvarač za punjenje baterije. Jednosmerna struja iz solarnih panela direktno puni bateriju, bez konverzije, i pretvara se u naizmeničnu struju tek kada se uputi ka potrošnji ili u mrežu.
Sve ostalo proizilazi iz ove razlike u topologiji: efikasnost, skalabilnost, redundantnost i složenost instalacije. Ista logika važi i za domaćinski sistem i za industrijski pogon, iako u različitim razmerama.
Naizmenično (AC) i jednosmerno (DC) kupliranje: ključne tehničke razlike
U praksi se dve arhitekture razlikuju po četiri ključna aspekta.
Broj konverzija. Kod naizmeničnog kupljanja solarna energija se konvertuje tri puta; kod jednosmernog kupljanja, jednom. To objašnjava razliku u efikasnosti: kada se pune iz solarnih panela, sistemi sa naizmeničnim kupljanjem obično postižu ciklusnu efikasnost od 90–94 odsto, dok sistemi sa jednosmernim kupljanjem postižu 95–98 odsto.
Povraćaj isečene energije. Ako izlaz solarne nizove pređe nominalnu naizmeničnu snagu invertera, višak se gubi. Sistem za skladištenje energije povezan jednosmerno skladišti ovu isečenu energiju pre nego što stigne do invertera, dok sistem povezan naizmenično može da puni tek nakon što energija prođe kroz inverter.
Lokacija i rezervnost. Sistem za skladištenje energije povezan na naizmeničnu struju može se slobodno instalirati na udaljenosti od solarnog polja, a dva invertera rade nezavisno. U konfiguraciji povezanoj na jednosmernu struju, baterija mora ostati blizu invertera, a kvar na jednoj komponenti će isključiti ceo sistem.
Troškovi i instalacija. Za nove projekte, jednosmerno povezivanje je jeftinije jer je dovoljan jedan hibridni invertor. Međutim, za postojeće sisteme, naizmenično povezivanje je brža opcija jer nije potrebno menjati stranu solarnih panela.
Značenje naizmenične i jednosmerne struje
Vredi razjasniti osnove, jer se sve gore pomenute razlike zasnivaju na tome.
Jednosmerna struja (JS) teče u jednom pravcu i ima konstantan napon. Solarni paneli generišu ovu vrstu struje, a baterije takođe skladište energiju u ovom obliku. U domaćem nizu, ovo obično znači napon od 600 do 1.000 V.
AC (naizmenična struja) periodično menja smer, sa frekvencijom od 50 Hz u Evropi. Mreža i većina kućnih aparata rade na ovoj struji.
Inverter povezuje ova dva: DC/DC stepen prilagođava nivo napona, dok DC/AC stepen pretvara izlaz u sinusoidni naizmenični strujni napon od 230 V. Svaka takva konverzija podrazumeva gubitke, zbog čega je važno uzeti u obzir kroz koliko stepena struja prolazi.
Koje rešenje je efikasnije u pogledu konverzije energije?
Na papiru je odgovor jasan: DC kuplovanje. Kada se pune iz solarnih panela, DC-kuplovani sistemi rade sa efikasnošću od 95–98 procenata, dok AC-kuplovani sistemi rade sa efikasnošću od 90–94 procenta, jer struja prolazi kroz manje faza konverzije.
U praksi, međutim, važno je kojim putem energija prolazi.
Ako energija koju proizvode solarni paneli ide direktno do potrošača, obe arhitekture obavljaju istu jedinstvenu konverziju DC/AC. Razlika u efikasnosti odnosi se isključivo na skladištenu energiju; drugim rečima, što je veći odnos skladištenja sistema, to je ova razlika značajnija.
Kada se puni iz mreže, situacija je obrnuta: efikasnost sistema povezanog na jednosmernu struju onda opada na oko 87 procenata zbog dodatne konverzije, dok učinak sistema povezanog na naizmeničnu struju ostaje uravnoteženiji bez obzira na izvor punjenja. Ovaj faktor postaje sve važniji svuda gde dinamičke tarife ili mrežni servisi čine deo poslovnog modela.
Sistemi sa naizmeničnom vezom mogu bolje da funkcionišu i tokom prekida struje: u takvim slučajevima izlaz solarnog invertera i invertera baterije se kombinuje, omogućavajući sistemu da zadovolji veću trenutnu potražnju.
U brojkama: za bateriju od 10 kWh, razlika u efikasnosti od 3–5 procenata prevodi se u razliku od oko 200–400 kWh godišnje. Ova brojka sama po sebi retko opravdava zamenu invertera, ali je značajna u novim (greenfield) projektima.
Proširenje postojećeg solarnog sistema sa baterijom: kada je naizmenično priključenje povoljno?
Proširenje postojećeg sistema solarnih panela baterijom sada je uobičajena operacija na većini evropskih tržišta. Većina sistema instaliranih u drugoj polovini 2010-ih koristi standardne string invertore koji se priključuju na mrežu i ne mogu da primaju bateriju.
U takvim slučajevima AC-kupling je očigledno bolji izbor u četiri scenarija.
Ako je postojeći inverter u dobrom stanju i još uvek pod garancijom. Nema smisla odbaciti uređaj koji radi samo da bi se dobilo nekoliko procentnih poena u efikasnosti. Štaviše, preostala vrednost isključenog invertera je samo deo vrednosti novog.
Ako nije vredno narušavati postojeći sistem naplate. Povoljnije tarife obezbeđene ranije obično su vezane za deklarisani kapacitet proizvodnje i ugovor o priključenju na mrežu. Proširenje na naizmeničnoj strani ne utiče na njih, dok zamena invertera može pokrenuti novi postupak ovlašćivanja.
Ako su solarni paneli i baterija smešteni na različitim mestima. Invertor integrisan u bateriju može se slobodno postaviti u blizini razvodne table.
Ako je cilj brza instalacija. EcoFlow sistemi za skladištenje energije obuhvataju i All-in-One i konvencionalne dizajne sa odvojenim inverterima. Za retrofit, All-in-One verzija je očigledan izbor: inverter i baterijski moduli čine jednu kulu i mogu se povezati na naizmeničnoj strani, što znači da se instalacija obično može završiti u jednom danu. Ako se baterija doda u sistem kasnije, priključivanje na naizmeničnu struju zahteva najmanje posla.
Kada se isplati izabrati sistem za skladištenje energije povezan na DC?
Međutim, postoje četiri situacije u kojima je DC veza razuman izbor.
Za projekte na novim lokacijama. Ako se solarni paneli i sistem za skladištenje energije instaliraju istovremeno, jedan hibridni inverter je jeftiniji i efikasniji od dva odvojena uređaja.
Ako postojeći inverter ionako treba zameniti. Inverter u nizu star 8–10 godina približava se kraju svog radnog veka; u takvim slučajevima hibridni inverter više nije dodatni trošak, već planirana zamena.
Ako je solarni niz preterano veliki. Sa visokim DC/AC odnosom, povraćaj ograničene energije može sam da se isplati.
Ako je prostor ograničen. Jedan hibridni invertor znači manje uređaja, manje kablova i jedan interfejs za nadgledanje.
Odluka se uvek zasniva na proceni na licu mesta: tip i starost postojećeg invertera, zajedno sa raspoloživim priključnim snagom, određuju koja je arhitektura najekonomičnija.
Usaglašenost invertera i razmatranja u vezi sa dizajnom sistema
Kada je arhitektura izabrana, uspeh projekta obično ne određuje efikasnost, već to da li izabrani uređaji mogu da rade zajedno.
Potrebno je uskladiti tri faktora: opseg napona, komunikacioni protokol i odobrenje proizvođača. Većina rezidencijalnih hibridnih invertera radi sa LiFePO4 baterijom od 48 V preko CAN ili RS485 veze, dok visoko naponske platforme zahtevaju sopstveni baterijski sistem napona od 100 do 1.000 V, često sa zaštićenim protokolom.
Naziv od 10 kWh može da se odnosi na dva potpuno različita proizvoda: modul od 48 V i visokonaponski baterijski skup povezan sa hibridnim inverterom. Ova dva nisu međusobno zamenljiva.
Zatvorena komunikacija nije opcionalni dodatak: bez nje inverter procenjuje stepen punjenja isključivo na osnovu napona, što je netačno zbog ravne karakterističke krive LiFePO4, a može biti i neophodno za garanciju proizvođača.
Očuvanje postojećeg invertera ili njegova zamena hibridnim inverterom
Da biste doneli ovu odluku, na licu mesta je potrebno prikupiti četiri informacije.
Starost invertera i preostali rok garancije. Za uređaj star 2–3 godine, opcija sa AC-kuplom je gotovo uvek bolji izbor.
Konfiguracija struja. Ako ga zamenjujete hibridnim inverterom, vrednosti napona i struje postojećih struja moraju da padnu u MPPT prozor novog uređaja. Ovo često podrazumeva prespojavanje ili preraspoređivanje struja.
Lista kompatibilnosti. Uvek proverite aktuelnu, odobrenu listu proizvođača, uključujući model i verziju hardvera, jer je kompatibilnost firmvera takođe važna. Izradili smo poseban pregled kompatibilnosti FoxESS baterija i invertera.
Troškovi zastoja. U komercijalnoj instalaciji, dani izgubljene proizvodnje brzo nadmašuju dobitke u efikasnosti.
Ako su neki od ovih faktora neizvesni, naizmenično priključenje je opcija sa manjim rizikom: ono ne uključuje solarnu stranu, a ovlašćene postavke postojećeg sistema ostaju nepromenjene.
Određivanje snage i kapaciteta za retrospektivno proširenje solarnih panela i baterija
Pri određivanju veličine sistema, dve različite vrednosti moraju se razmatrati odvojeno: kapacitet (kWh) i snaga (kW).
Kapacitet se određuje po večernjem vršnom opterećenju, a ne po ukupnoj dnevnoj potrošnji. Ako je večernje opterećenje 8–10 kWh dnevno, nema smisla instalirati sistem od 20 kWh: iznad odnosa 2:1 u odnosu na solarne panele, samodovoljnost se samo marginalno poboljšava.
Izlazna snaga je ograničena C-stopom i inverterom. Baterija od 20 kWh koja se može puniti strujom od 0,5C isporučuje 10 kW na nivou baterije; izlaz na naizmeničnoj strani je manji od toga.
Na kraju, računajte koristeći upotrebljivi kapacitet, a ne nominalni: zbog dubine pražnjenja, efikasnosti i smanjenja kapaciteta usled temperature, stvarna vrednost može biti za 20–35 procenata niža. Ovo je posebno važno kod naknadnih priključenja u naizmenično kupljenim sistemima, jer se snaga iz baterijskog invertera dodaje sistemu paralelno sa postojećim solarnim inverterom.
Gubici pri konverziji u AC- i DC-kuplovanim sistemima
Gubitak ne nastaje u samoj bateriji, već u fazama konverzije i pri stanju pripravnosti.
U AC-povezanom sistemu, skladištena kWh prolazi kroz tri invertorske faze; u DC-povezanom sistemu, prolazi kroz samo jednu tokom solarnog punjenja. Za sistem skladišta koji obrađuje 4.000 kWh godišnje, ovo predstavlja gubitak od 400 kWh pri efikasnosti ciklusa od 90 procenata i 160 kWh pri 96 procenata. Razlika je oko 240 kWh godišnje.
Drugi, često zanemaren faktor je potrošnja u pripravnosti. Potrošnja energije u mirovanju samostalnog baterijskog invertera obično ostaje ispod 1 odsto njegove nominalne snage, ali čak i kontinuirana potrošnja od 20–40 vati odgovara godišnjoj potrošnji od 175–350 kWh. Kod naizmeničnog priključka, dva uređaja troše struju paralelno; kod jednosmernog priključka, samo jedan to čini.
Gubici nisu nula ni na DC strani: kontroler punjenja, BMS i kablovska instalacija sve troše energiju, iako u manjoj meri. U niskonaponskim, 48-voltnim sistemima, gubici u kablovima su značajniji nego u visoko-naponskim sistemima zbog veće struje.
Stoga nije dovoljno jednostavno uporediti brojke efikasnosti ciklusa navedene u katalogu. Modelirajte sistem na osnovu stvarnih evidencija proizvodnje: koliko kWh zaista prolazi kroz bateriju, a koliko ide direktno na potrošnjače. Ovo drugo košta isto u obe arhitekture.
Za sisteme retrofita bez izvoza i upravljanja energijom
Mnoge licence za priključenje na mrežu propisuju da upuštanje struje mora biti ograničeno ili potpuno zabranjeno. Ovaj regulatorni zahtev sam po sebi utiče na izbor arhitekture.
U DC-povezanom sistemu ograničenje je jednostavno: hibridni invertor uzima MPPT izlaz u okviru jedne kontrolne petlje, tačno u onoj meri u kojoj ga opterećenja i baterija troše.
Situacija je komplikovanija u AC-povezanim retrofit instalacijama, jer baterijski inverter ne može direktno da ograniči postojeći solarni inverter. Postoje dve opcije: ili apsorbovati višak u bateriju putem punjenja promenljive snage, ili regulisati solarnu stranu putem komunikacije, ili eventualno pomeranjem frekvencije. Poslednje je sporije i u velikoj meri zavisi od brenda.
To dovodi do jednog praktičnog pravila za projektovanje: AC-kupljeno rešenje sa nultim izvozom radi pouzdano samo ako snaga punjenja invertera za bateriju dostiže nominalnu snagu postojećeg solarnog invertera.
Prednost iz ugla upravljanja energijom je obrnuta: svaki višak koji ostane ispod ograničenja uvoza ostaje u bateriji i nije izgubljen.
U oba slučaja, povratna informacija merena na mestu priključenja zatvara petlju, u obliku strujnog transformatora ili pametnog brojila. Tokom puštanja u rad, proverite smer strujnog transformatora, redosled faza i vreme uzorkovanja, i ostavite mali višak na strani uvoza umesto da ga podesite na nulu.
Naizmenično ili jednosmerno kupliranje za skladištenje energije u većim komercijalnim i industrijskim sistemima?
Na većem nivou prioriteti se menjaju: odlučujući faktor nije efikasnost, već strategija prihoda i priključenje na mrežu.
Jedna tačka priključenja je argument u prilog konfiguraciji sa jednosmernim (DC) kupljanjem. To znači jednostavniju analizu mreže i manje transformatora; osim toga, u slučaju znatno prekomerno dimenzionisanog solarnog polja, povraćaj ograničene energije generiše veliki obim energije. Stoga je danas standardni pristup sistem za skladištenje energije sa jednosmernim kupljanjem dizajniran da prati novoizgrađenu solarnu elektranu.
Nezavisnost je ključni argument u prilog naizmenično povezanoj konfiguraciji. Sistem za skladištenje energije povezan naizmeničnom strujom može da pruži mrežne usluge nezavisno od solarne proizvodnje, omogućava modularno proširenje, a kvar jednog invertera ne isključuje ceo sistem iz rada. Za postojeće industrijske krovove sa solarnim sistemima, ovo je održiva opcija.
Postoji jedan argument protiv naizmeničnog povezivanja: ono reaguje sporije na brze komande mreže, kao što je odgovor na frekvenciju, jer se više invertera mora istovremeno sinhronizovati.
Budite svesni dve zamke. Nadogradnja DC-povezanog sistema je teška, jer se opseg napona novih baterija obično ne poklapa sa opsegom starih. Kada se smanjuje vršna potrošnja, veličinu izlazne snage PCS-a treba dimenzionisati tako da odgovara smanjenoj vršnoj potrošnji, a veličinu kapaciteta tako da odgovara trajanju vršne potrošnje.
Za veće projekte, takođe ćete pronaći skalabilna rešenja u ormarima i kontejnerima u ponudi za skladištenje energije kompanije FoxEss; međutim, uvek bi trebalo da zasnovate svoje proračune veličine na kvartalno-satnom profilu opterećenja lokacije.
Preporuka SOLARKIT-a: kriterijumi za donošenje odluka za instalere solarnih panela
Prema našem iskustvu, većina pogrešnih arhitektonskih odluka proizilazi iz nedostatka terenskog uvida, a ne iz nedostatka stručnog znanja. Stoga preporučujemo da se zabeleže pet informacija pre nego što se izda bilo kakva ponuda.
Tačan tip i godina proizvodnje invertera. To određuje da li se može zadržati.
Vrednosti napona i struje nizova. Ovo je preduslov pri prelasku na hibridni inverter.
Kapacitet priključka i ograničenje uvoza. Ako za njihovu izmenu je potrebna licenca, prevaga ide u korist sistema priključenog na naizmeničnu struju.
Potreba za rezervnim napajanjem. Tokom prekida struje, u sistemu priključenom na naizmeničnu struju, inverter sa baterijom mora da radi u režimu formiranja mreže, a postojeći solarni inverter mora da može da radi u saradnji sa njim. U suprotnom, solarni deo će se jednostavno isključiti tokom prekida struje.
Profil večernjeg opterećenja. To određuje potrebnu snagu, a ne ukupnu dnevnu potrošnju.
Naš zaključak je jednostavan: za novi sistem koristite jednosmernu vezu; za postojeći i ispravno funkcionalan inverter koristite naizmeničnu vezu. Izuzetak je ako se inverter ionako mora zameniti, u kom slučaju hibridno rešenje rešava problem odjednom.
Kao instalater, isplativo je držati zalihe pogodne za obe arhitekture. Oni koji nude samo hibridna inverterska rešenja izgubiće veliki deo tržišta za retrofit, dok će oni koji nude samo naizmenično povezane sisteme za skladištenje energije propustiti projekte novogradnje.
Često postavljana pitanja: skladištenje energije priključeno na naizmeničnu i jednosmernu struju
Može li se instalirati sistem za skladištenje energije povezan na jednosmernu struju uz sistem mikroinvertera?
Ne. Mikroinverteri već pretvaraju proizvedenu energiju u naizmeničnu struju iza modula, tako da ne postoji provodnik jednosmerne struje na koji bi se baterija mogla priključiti. Sa takvim sistemom, jedino je moguće naizmenično priključivanje; međutim, to je prirodno rešenje: uređaj za skladištenje se jednostavno povezuje sa naizmenično priključenim inverterom.
Da li će garancija na postojeći invertor biti poništena dodatkom povezanim naizmeničnom strujom?
Obično ne, jer je uređaj za skladištenje priključen na naizmeničnu struju povezan na razvodnu tablu, iza solarnog invertera, i ne utiče na njegov rad. Međutim, ako zamenite inverter hibridnim modelom, preostala garancija na stari uređaj biće nevažeća. Uvek zatražite pisanu potvrdu od proizvođača ili distributera pre instalacije.
Mogu li se naizmenične i jednosmerne veze kombinovati u jednom sistemu?
Da, u dobro dizajniranom sistemu, ova dva mogu koegzistirati. Tipičan scenario je kada postojeći solarni inverter ostaje na naizmeničnoj strani, a novi hibridni inverter se instalira pored njega, sa sopstvenim solarnim poljem i baterijom. U takvim slučajevima, kontrola mora biti koordinisana sistemom za upravljanje energijom.
Koliko je dodatne solarne energije potrebno za punjenje baterije povezane na naizmeničnu struju?
Približno 5–10 procenata. Zbog dva gubitka konverzije od po oko 95 procenata, potrebno je otprilike 2 kWh više solarne proizvodnje da bi se napunila baterija od 20 kWh. Ova dodatna količina ima malu značajnost kada se inače ne bi iskoristila vršna proizvodnja u podne.
Da li se baterija povezana na naizmeničnu struju puni sa solarnih panela tokom prekida struje?
Samo ako inverter baterije radi u režimu formiranja mreže da bi uspostavio stabilnu lokalnu mrežu, i ako solarni inverter može da radi u saradnji sa njim. Neki hibridni inverteri povećavaju frekvenciju na 52–53 Hz kada je baterija puna kako bi isključili solarni deo. Ovo ponašanje mora biti provereno na nivou modela pre instalacije.
